基于LED光立方的電磁波極化演示

張娜 劉娜 楊琳 楊化俊

摘 要：針對(duì)“電磁場(chǎng)與電磁波”課程教學(xué)難度大的現(xiàn)狀，制訂了一套計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)實(shí)施方案。尤其電磁波的傳輸與極化看不見(jiàn)摸不著，學(xué)生難以理解該部分內(nèi)容，因此，根據(jù)均勻平面電磁波的極化方式，在MATLAB中編程以三維立體動(dòng)畫的形式演示電磁波的線極化、圓極化與橢圓極化;并以STM32作為主控芯片，采用4 096個(gè)LED燈組成一個(gè)16*16*16的三維立方體LED光立方教具，使抽象的概念變得可視而具體，使教學(xué)過(guò)程變得生動(dòng)形象并富有趣味，從而利于學(xué)生綜合素質(zhì)的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：電磁場(chǎng)與電磁波;極化;LED;光立方

中圖分類號(hào)：G643

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-757X（2020）11-0074-03

Abstract：In view of the current situation that the teaching of “electromagnetic field and electromagnetic wave” is difficult， a set of computer-aided teaching implementationschemes are developed.In particular， the transmission and polarization of electromagnetic wave are invisible， students are difficult to understand this part. Hence， according to the polarization mode of uniform plane electromagnetic wave， the paper programs by using MATLAB to demonstrate the linear polarization， circular polarization and elliptical polarization of electromagnetic wave in the form of three-dimensional animation. STM32 is used as the main control chip， 4 096 LED lights are used to form a 16×16×16 three-dimensional cube LED light cabe to aid the classroom teaching， which makes the abstract concept visible and concrete， makes the teaching process vivid and interesting. The reform is conducive to the cultivation of students comprehensive quality.

Key words：electromagnetic field and electromagnetic wave;polarization;LED;light cube

0?引言

在高校電子信息工程、通信工程、電磁場(chǎng)與微波技術(shù)等工科專業(yè)中，電磁場(chǎng)與電磁波課程是一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程之一[1]。由于該課程不僅理論性強(qiáng)，涵蓋內(nèi)容多，知識(shí)跨度大，具有大量繁雜的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)，而且電磁場(chǎng)與電磁波又看不見(jiàn)、摸不著，直觀性很差，因此使得該課程成為相對(duì)較難的課程之一。學(xué)生在學(xué)習(xí)該課程時(shí)往往會(huì)感到枯燥乏味，失去學(xué)習(xí)興趣，進(jìn)而影響對(duì)所學(xué)知識(shí)的掌握。為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促使大家很好地掌握本課程的知識(shí)，并能將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際工程中，提高應(yīng)用知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。將工程實(shí)踐引入實(shí)際課程中，在理論課堂上通過(guò)實(shí)踐項(xiàng)目，將抽象的知識(shí)點(diǎn)具體化，便于學(xué)生理解，掌握課程課堂教學(xué)內(nèi)容，在實(shí)踐課堂中，學(xué)生進(jìn)行實(shí)踐，“學(xué)”為“做”提供指導(dǎo)，“做”為“學(xué)”提供驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)“學(xué)”與“做”的交叉互動(dòng)。

電磁波的極化是“電磁場(chǎng)與電磁波”課程中的一個(gè)重要內(nèi)容，極化在無(wú)線電的發(fā)射[2]、雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別[3]與衛(wèi)星通信[4]等方面有著及其重要的作用。采用MATLAB軟件對(duì)電磁波的極化特性進(jìn)行仿真，通過(guò)形象直觀的三維立體動(dòng)畫的形式展示電磁波的線極化、圓極化與橢圓極化。并以STM32作為主控芯片，采用4096個(gè)LED燈組成一個(gè)16*16*16的三維立方體LED光立方教具，并在課堂教學(xué)中演示電磁波的極化，可以比較直觀的觀察電磁波極化的各個(gè)時(shí)刻的狀態(tài)。

1?電磁波極化的原理

1.1?極化的定義

波的極化：指空間某固定位置處電場(chǎng)強(qiáng)度矢量隨時(shí)間變化的特性。用電場(chǎng)強(qiáng)度矢量終端端點(diǎn)在空間形成的軌跡表示[5-7]。

1.2?極化的分類

沿+z方向傳播的均勻平面波，其電場(chǎng)可表示如式（1）。

如果電波傳播時(shí)，電場(chǎng)矢量的終端隨時(shí)間變化在空間描出軌跡為一直線，則稱為線極化波;如果傳播時(shí)電場(chǎng)矢量的尖端在空間描出的軌跡為一個(gè)圓，則稱為圓極化波;如果傳播時(shí)電場(chǎng)矢量尖端在空間描出的軌跡為一橢圓，則為橢圓極化波[8]。

1.2.1?橢圓極化

式（1）中，設(shè)z=0，得式（2）、式（3）。

橢圓極化波形圖，如圖1、圖2所示：

1.2.2?線極化

電場(chǎng)僅在一個(gè)方向振動(dòng)，即電場(chǎng)強(qiáng)度矢量端點(diǎn)的軌跡是一條直線。

由式（7）和式（8）可以看出：Ex和Ey同相位或反相位時(shí)，合成場(chǎng)表征直線極化。線極化的三維動(dòng)態(tài)，如圖3所示。

1.2.3?圓極化

由此可以看出：式（9）為圓方程式。Ex和Ey相位相差π/2且振幅相等時(shí)，合成場(chǎng)表征圓極化。

合成波電場(chǎng)矢量終端軌跡為圓，且電場(chǎng)矢量旋轉(zhuǎn)方向與電磁波傳播方向成右手螺旋關(guān)系—右旋圓極化波[9-10]，如圖4所示。

合成波電場(chǎng)矢量終端軌跡為圓，且電場(chǎng)矢量旋轉(zhuǎn)方向與電磁波傳播方向成左手螺旋關(guān)系—左旋圓極化波[9-10]，如圖5所示。

2?電磁波極化在MATLAB中的實(shí)現(xiàn)

2.1?編寫程序

根據(jù)圓極化的特性，在MATLAB中編寫程序?qū)崿F(xiàn)，其主要程序如下。

omiga=2*pi/36;

phi_x=0;

phi_y=pi/2;

Exm=1;

Eym=1;

2.2?運(yùn)行結(jié)果

線極化演示圖，如圖6所示。

由圖6可以看出：在xoy平面觀察，其電場(chǎng)矢量終端隨時(shí)間變化在空間的軌跡為一直線;圓極化演示圖，如圖7所示。

橢圓極化演示圖，如圖8所示。

由圖7可以看出：在xoy平面觀察，其電場(chǎng)矢量終端隨時(shí)間變化在空間的軌跡為圓;由圖8可以看出：在xoy平面觀察，其電場(chǎng)矢量終端隨時(shí)間變化在空間的軌跡為橢圓。

3?基于STM32的LED光立方教具

本系統(tǒng)以STM32為控制核心，該芯片功耗低、穩(wěn)定性好和性能高等優(yōu)點(diǎn)[11-12]，光立方顯示模塊由4 096個(gè)LED組成了一個(gè)16*16*16的燈陣，如圖9所示。

軟件部分采用樂(lè)濤開(kāi)發(fā)工作室的3D16光立方動(dòng)畫仿真軟件，該軟件極大的簡(jiǎn)化了程序設(shè)計(jì)，縮短了程序編寫的時(shí)間。該光立方演示教具展示了電磁波的各種特性，這不僅能強(qiáng)烈吸引學(xué)生的注意力，從感官上給學(xué)生真實(shí)的感受和強(qiáng)有力的視覺(jué)沖擊，而且豐富了他們的想象和思考，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)該門課程理論的興趣。

4?總結(jié)

根據(jù)均勻平面電磁波的極化方式，在MATLAB中編程以三維立體動(dòng)畫的形式展示電磁波的線極化、圓極化與橢圓極化，并以STM32為控制核心，由4 096個(gè)LED組成一個(gè)16*16*16的光立方顯示教具。將其結(jié)論應(yīng)用于課堂教學(xué)中，使抽象的概念變得可視而具體，使教學(xué)過(guò)程變得生動(dòng)形象并富有趣味，從而利于學(xué)生綜合素質(zhì)的培養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)

[1]?楊琳，劉皎，張娜，等. “四個(gè)一流”建設(shè)背景下地方高校教學(xué)改革與實(shí)踐——以《電磁場(chǎng)與電磁波》課程為例[J]. 教學(xué)研究，2018，41（4）：74-79.

[2]?張建華，黃治. 電磁波極化的應(yīng)用[J]. 大學(xué)物理，2012，31（3）：52-54.

[3]?莊釗文，肖順平，王雪松. 雷達(dá)極化信息處理及其應(yīng)用[M]. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1999.

[4]?付世強(qiáng). 圓極化微帶天線及其在海事衛(wèi)星通信中的應(yīng)用[D]. 大連：大連海事大學(xué)，2010.

[5]?楊永俠. 電磁場(chǎng)與電磁波[M]. 西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2018.

[6]?劉世為. VLF電磁波在地-電離層波導(dǎo)中的傳輸特性研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2016.

[7]?彭永華. ICA算法在射頻系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[D]. 長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2012.

[8]?王家禮，朱滿座. 電磁場(chǎng)與電磁波[M]. 西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2018.

[9]?陳秀武. 關(guān)于平面電磁波極化方式的討論[J]. 蘭州文理學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016，30（6）：31-33.

[10]?蒿連亮. 寬帶圓極化整流天線研究[D]. 成都：電子科技大學(xué)，2014.

[11]?毛玉星，劉翔宇，王唯. 一種基于STM32單片機(jī)的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)[J]. 工業(yè)和信息化教育，2019（8）：63-68.

[12]?徐宇寶，林華，余平. 基于STM32的多級(jí)LED調(diào)控器設(shè)計(jì)[J]. 洛陽(yáng)理工學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2019，29（2）：55-60.

（收稿日期：2019.11.07）